Dentro brevemente
- Os pesquisadores mostraram que os fótons podem fazer com que os átomos passem por “momentos ruins” em seus estados excitados, desafiando velhas teorias das interações da matéria leve e sugerindo que o atraso do grupo negativo tem um significado físico real.
- Usando uma técnica chamada efeito Kerr cruzado, a equipe mediu os tempos de excitação atômica e mostrou que os fótons transmitidos interagem com os átomos de tal forma que seu tempo de excitação é diretamente proporcional ao atraso do grupo, mesmo que esse atraso seja negativo.
- Embora a pesquisa não aborde diretamente a computação quântica, as descobertas podem contribuir para o desenvolvimento de memória quântica e sistemas de comunicação, melhorando o controle das interações fóton-átomo.
O momento ruim pode parecer a última reunião do comitê a que você compareceu e que deveria ter sido um e-mail, mas pesquisadores da Universidade de Toronto e da Universidade Griffith relataram que os fótons – partículas de luz – podem passar uma quantidade “ruim” de tempo em átomos excitados. à medida que passam pela interface. Publicado no servidor de pré-impressão arXiv, os pesquisadores relatam este estranho fenômeno, que é confirmado por experimentos e teoria, desafia as ideias convencionais sobre a interação da luz e lança uma nova luz sobre o conceito de tempo negativo em sistemas quânticos.
O estudo, que investiga o atraso de grupo experimentado pelos fótons, também sugere que esse tempo negativo tem um significado mais físico do que se pensava anteriormente e pode ter implicações para a tecnologia quântica, como a computação quântica.
O cerne do estudo é o conceito de atraso de grupo. Quando a luz passa através de objetos, sua velocidade é afetada, causando um atraso no tempo que leva para viajar de um ponto a outro. Geralmente, esse atraso é positivo, o que significa que a luz diminui à medida que interage com os átomos do material. Porém, em certos casos, principalmente quando a luz é sintonizada em determinadas frequências próximas à ressonância atômica do material, algo inusitado acontece: o atraso do grupo torna-se negativo.
Isto significa que a luz parece sair dos objetos antes do esperado, criando um paradoxo que tem intrigado os físicos. Essencialmente, é como se o fóton causasse um efeito, como excitar um átomo, antes de ele chegar – algo que poderia acontecer no mundo quântico, mas não faz sentido em nosso conhecimento cotidiano do tempo. (Bem-vindo ao estranho e maravilhoso mundo da mecânica quântica.)
Para entender melhor esse fenômeno, a equipe de pesquisa se propôs a responder a uma questão importante: esse grupo está atrasado de acordo com o tempo gasto pelos fótons como excitação do átomo? A resposta, ao que parece, é sim. Usando uma técnica chamada efeito Kerr cruzado, os pesquisadores conseguiram avaliar o grau de excitação atômica causada pelos fótons emitidos, mesmo quando o atraso do grupo era negativo. Os resultados mostraram que o tempo gasto pelos fótons como excitações atômicas estava diretamente relacionado ao atraso do grupo, sugerindo que o tempo negativo observado no atraso do grupo tem significado físico real.
Outra questão importante que os pesquisadores queriam responder era: quanto tempo os átomos passam em estado excitado quando um fóton é transmitido através de um meio?
“Definimos o tempo médio que os átomos passam no estado excitado (τ0), ou o tempo médio de excitação de um átomo, como o tempo crítico para o número esperado de átomos no estado excitado”, escreveram os pesquisadores.
Eles também exploraram a natureza quântica desta interação, perguntando como a escala de tempo muda quando os fótons são emitidos em vez de dispersos.
Compreendendo os maus momentos
A ideia de que os fótons podem causar a excitação de um átomo por um tempo negativo pode parecer contraditória, mas se enquadra na estrutura da mecânica quântica. Na física clássica, o tempo é constante – uma partícula avança no tempo à medida que se move. Contudo, no mundo quântico, o tempo pode se comportar de maneira diferente. Quando os pesquisadores sintonizaram seus pulsos de luz para certas frequências próximas à ressonância atômica dos átomos de rubídio-85, eles viram que o atraso de grupo dos fótons transmitidos piorou. Isso significa que a altura do pulso de luz saiu do centro antes do deveria, com base no momento em que entrou.
Para explicar isso, a equipe usou a teoria quântica e o conceito de “valores fracos”, um formalismo que permite que certas medições na mecânica quântica assumam valores fora da faixa normal esperada. Neste caso, o valor fraco do tempo de excitação atômica foi negativo, correspondendo ao atraso do grupo negativo observado. Na verdade, os fótons interagiram com os átomos de tal forma que os átomos foram excitados antes da chegada da luz – pelo menos, de acordo com o grupo de medição de atraso.
Este comportamento incomum foi medido usando o efeito Kerr cruzado, que permitiu à equipe detectar uma mudança de fase sutil na luz secundária (sonda) causada pela excitação do átomo pelos fótons transmitidos. Ao sincronizar cuidadosamente suas medições e usar técnicas de pós-seleção para focar apenas nos fótons transmitidos, os pesquisadores conseguiram medir diretamente o tempo de excitação atômica e compará-lo com o atraso do grupo.
Implicações da computação quântica
Embora não sejam abordadas especificamente no artigo, as descobertas da equipe podem ter implicações para o campo da computação quântica. Por exemplo, os computadores quânticos dependem da manipulação precisa de bits quânticos, ou qubits, para realizar cálculos. Compreender como os fótons interagem com os átomos em um determinado ambiente pode levar a um melhor controle dos sistemas quânticos, especialmente na memória quântica e nas redes de comunicação, onde as informações são armazenadas e transmitidas pelos fótons. A capacidade de gerenciar essa interação, mesmo nos casos em que o atraso do grupo é ruim, pode ajudar a melhorar a eficiência e a estabilidade dos processadores quânticos.
Além disso, os resultados da investigação sobre o tempo negativo fornecem novas formas de pensar sobre como a informação é transmitida em sistemas quânticos. Ao compreender como os fótons podem interagir com os átomos em momentos aleatórios, os pesquisadores podem projetar circuitos quânticos eficientes que usam esse comportamento incomum para melhorar o desempenho dos computadores quânticos.
Método de teste
Os pesquisadores conduziram sua pesquisa usando uma nuvem de átomos frios de rubídio-85, que foram iluminados por dois feixes de luz: um forte feixe de “sinal” que causou a excitação do átomo e uma “sonda” fraca que mediu a mudança de fase resultante.
Os pesquisadores escreveram em seu artigo: “Quando os átomos são iluminados por um pulso de luz brilhante – que chamaremos de ‘linha de sinal’ – eles ficam isolados e têm uma certa probabilidade de estar em um estado excitado a qualquer momento. . Para uma entrada de fóton único, o número de átomos excitados é representado pelo operador Ne, ou seja, ⟨Ne⟩
Ao comparar a mudança de fase causada pelos fótons transmitidos com a causada pelo fóton neutro, a equipe conseguiu calcular o tempo de excitação do átomo. Eles descobriram que em pulsos de banda estreita, que são ondas luminosas ou magnéticas com faixa limitada de comprimentos de onda ou frequências, o tempo médio do átomo excitado era negativo, diretamente proporcional ao atraso do grupo negativo.
A configuração experimental requer extrema precisão, com a equipe usando um módulo de contagem de fótons único para detectar fótons transmitidos individuais. Cada ciclo de medição durou alguns milissegundos e os pesquisadores coletaram dados durante várias horas para garantir a precisão dos resultados. Os dados foram então comparados com modelos teóricos, que prevêem que o tempo de excitação atômica deve corresponder ao atraso do grupo, mesmo que seja um tempo negativo.
Especulando sobre direções futuras
Como os resultados práticos apresentados neste artigo não foram abordados diretamente no artigo, é importante observar algumas limitações. O experimento exigiu um ambiente altamente controlado, incluindo átomos extremamente frios e tempo preciso de pulsos de luz. Dimensionar essas descobertas em sistemas maiores ou em diferentes tipos de mídia pode ser um desafio. Além disso, o atraso do grupo negativo observado neste estudo está intimamente relacionado à interferência quântica, que pode apresentar sensação de ruído e interferência. Mais pesquisas são necessárias para explorar como esses efeitos podem ser realizados em sistemas quânticos complexos ou em sistemas práticos de computação quântica.
O trabalho também pode abrir uma série de novas direções de pesquisa. Olhando para o futuro, os investigadores podem querer investigar se o mesmo comportamento ocorre noutros sistemas atómicos ou com diferentes tipos de luz, como fotões emaranhados. Os cientistas também podem explorar como essas descobertas podem ser usadas para melhorar a memória quântica e os sistemas de comunicação, onde o controle preciso das interações fóton-átomo é essencial para manter a integridade da informação quântica.
Equipe de pesquisa
A pesquisa foi conduzida por uma equipe do Departamento de Física e do Centro de Informação Quântica e Controle Quântico da Universidade de Toronto, incluindo Daniela Angulo, Kyle Thompson, Vida-Michelle Nixon e Andy Jiao. Esta pesquisa também inclui as contribuições de Howard M. Wiseman, do Centro de Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação da Universidade Griffith, na Austrália, e a liderança de Aephraim M. Steinberg, da Universidade de Toronto.
Para uma explicação técnica mais aprofundada que não pode ser fornecida neste resumo, confira o artigo da equipe arXiv. Um artigo pré-impresso não é um artigo oficial revisado por pares, mas serve como uma forma para outros cientistas revisarem formalmente as descobertas.
